晶体缺陷对时效的影响简析

空位、位错和晶界对脱溶会产生一定影响，它们影响扩散、偏聚、形核等过程。

1.空位的影响

代位原子的扩散采用空位移动机制，空位的凝聚是形成偏聚区的有利地点。所以，空位浓度和空位运动对于代位溶质原子偏聚区的形成具有十分重要的作用。晶体中的空位割断了该点原有的结合键，增加了系统的势能；另一方面，空位又使组态熵增大。温度升高引起空位浓度的增加。固态金属在平衡冷却时，空位浓度逐渐降低。如果从高温激冷下来，可以将高温的空位冻结下来，提高室温下的空位浓度，获得空位过饱和的晶体。过饱和空位在室温或稍高温度下将通过空位运动而发生凝聚或者移动到晶界、表面等处。图8-7所示为固溶处理冷却速度对Al-Cu合金时效硬化曲线的影响。可见，水冷时效硬化较快，硬度较高，是由于水淬能够把高温空位最大限度地保存在室温；空冷速度较慢，一部分空位在冷却过程中消失，故硬化速度较慢。这两种固溶状态的初始硬化速度相差几个数量级，但是最高时效硬化值（峰值）却基本上相同，说明空位的作用仅仅为加速G.P区的形成，并不改变脱溶物的本质和尺寸。

图8-7 冷却速度对Al-Cu合金时效硬化曲线的影响^[1]

图8-8所示为固溶温度对时效硬化的影响。可见，固溶处理温度越高，时效越快，峰值越高，加速了时效。本实验中，600℃的脱溶过程是从Ti原子团到平衡相Ni₃Ti相。

空位直接促进代位原子片状偏聚区形成的机制，一般认为可以通过形成位错圈，促进形成片状偏聚区，如图8-9所示。圈内法线方向为拉应力状态，有利于溶质原子的扩散进入，从而形成片状偏聚区。不过空位的作用主要还是加速代位原子的扩散。

2.位错的影响

位错线是原子扩散的通道，可加速其迁移，溶质原子常在位错线上偏聚，此处容易满足新相成分上的需求。代位原子对G.P区形成的促进作用远不如空位显著。

图8-8 固溶温度对Ni-4％Ti合金600℃时效硬化的影响^[1](www.xing528.com)

图8-9 空位凝聚形成位错圈

按形核长大机制脱溶的过渡相和平衡相可以在位错上优先形核，造成非均匀析出。位错密度大的过饱和固溶体形核率大，脱溶物的初期尺寸细小。

位错形核已经被大量试验事实所证实，图8-10所示为铜在铁素体基体的位错线上析出的高分辨率电子显微镜照片。可见，铜粒子优先在位错线上析出。

图8-10 Fe-1.03％Cu合金550℃时效10⁵s的组织

3.晶界的影响

在晶界附近常常出现初期“无脱溶区”；另一方面，晶界易于直接以形核长大机制异位析出过渡相和平衡相。关于初期无脱溶区，现在认为与空位及其运动有关。晶界的混乱结构使其成为空位阱，条件允许时，可以吸收大量的空位。在室温放置或时效之初，或者在固溶处理的冷却过程中，晶界吸收空位发生在晶界附近地区，形成晶界附近的低空位浓度区，此处即对应于偏聚区-过渡相的无脱溶区。晶界区除了能够吸附溶质原子外，无脱溶区内溶质原子的过饱和度至少不低于晶内。因此，时间延长或者温度升高时，在所谓无脱溶区内也会稍有脱溶发生。

晶界形核是无脱溶区内优先采取的形式。与晶粒内部G.P区原位形核相比，晶界的脱溶相显然趋于粗大，甚至沿着晶界形成网状组织。另外，晶界还是平衡相非连续脱溶的形核地点。